檢測電纜故障點的電磁傳感器設計與實現(xiàn)

摘要 電磁傳感器是根據(jù)電磁感應原理用于檢測電磁信號的。在精確檢測電纜故障點時，根據(jù)故障點產(chǎn)生的磁場變化，電磁傳感器拾取到這種變化的磁場信號，并將其轉(zhuǎn)換成感應電壓，感應電壓經(jīng)放大、整流處理后，用于后續(xù)檢測指示電路，最后確定故障點的位置。

目前電力系統(tǒng)中，電能傳送主要通過導線完成，導線主要有架空線和電纜兩種。同架空線相比，電力電纜具有送電可靠、受環(huán)境污染小、無需占用地上面積，從而保障了人身安全、提高了輸電線路的輸送能量等。但地下電纜一旦發(fā)生故障排查成為難題，如果處理不及時造成停電會浪費大量的人力物力。為了避免此類情況發(fā)生，找到一種快速、準確的電纜故障定位方法是本文研究重點。

在進行電纜故障測距時，無論采用哪種儀器或測量方法，由于電纜多埋設在地表下，所以在丈量和繪制電纜線路圖時會產(chǎn)生誤差，因此根據(jù)測距結(jié)果只能確定電纜故障的大體位置。為了減少開挖工作量，測距之后，需在地面上進行精確定點工作。而精確定點方法中應用較多的有聲磁同步法和音頻感應法，兩者對于電纜的大部分故障都能檢測到，而檢測故障點過程中關鍵是拾取電磁信號的電磁傳感器，本文就此傳感器進行了研究和設計。

1 原理

無論使用音頻感應法還是聲磁同步法進行電纜故障點定位，都要讓電纜故障點產(chǎn)生變化的磁場。利用電感感應磁場信號，經(jīng)兩級運放后整流輸出，輸出信號接入到指示電路上，隨著磁場強度的增強指示燈點亮的個數(shù)越多。原理框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電感的選取

電感是閉合回路的一種屬性，即當通過閉合回路的電流改變時，會出現(xiàn)電動勢以抵抗電流的改變。這種電感稱為自感，是閉合回路自身的屬性。電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應能力的物理量。當線圈通入的磁感線越多，線圈感應出的電壓越大。一般集成模塊電路應用色碼電感和工字電感，色碼電感的線圈比工字電感細，是一種高頻電感線圈，多應用在信號電路，而工字電感則多應用在功率回路中?；诖宋闹械碾姶艂鞲衅鬟x取色碼電感。

色碼電感又名色環(huán)電感，是利用自感作用的一種元件，是具有固定電感量的電感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中①是磁芯;②是漆包銅線;③是連接電路的引腳;④是環(huán)氧樹脂涂覆層;⑤色碼標志。它是在磁芯上繞上一些漆包線后再用環(huán)氧樹脂或塑料封裝而成。其工作頻率為10 kHz～200 MHz，電感量一般在0.1～3 300μH之間。

2.2 放大電路設計

三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個反向連結(jié)的PN結(jié)面，如圖3所示，可有PNP和NPN兩種組合。3個接出端點依序稱為發(fā)射極(Emitter，E)、基極(Base，B)和集電極(Collector，C)。

從圖4可知通過設置不同的R5、R4(R6、R7)阻值，可以得到不同的放大倍數(shù)，靜態(tài)工作點Q也會不同，將直接導致三極管工作在哪個工作區(qū)域，這里將Q1管設置在放大區(qū)。在兩級放大中間加一個滑動變阻器，隨著阻值的變化，將直接影響下一個三極管Q2的工作狀態(tài)即飽和還是放大，將其阻值設置到最大即10 kΩ，并用仿真示波器觀測波形如圖5所示。

將A通道接到信號輸入端，B接到Q1的輸出端，C接到Q2的輸出端，D接到整流后的輸出端，從圖中可以看出滑動變阻器的阻值為0時，Q2工作在飽和區(qū)域。

滑動變阻器是用于調(diào)節(jié)兩級放大后輸出電壓值的峰值大小如表1所示。

2.3 整流電路

二極管(Diode)，是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內(nèi)部有一個PN結(jié)兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉(zhuǎn)導性。

2.4 指示電路

由以上介紹可知當電感感應到的磁場越強，輸出電壓Vo就越大，Vo進入指示電路后點亮燈的個數(shù)就越多。當越接近電纜的故障點時感應到的磁場強度就越強即點亮所有的燈。

3 脈沖磁場波形的識別

3.1 基于聲磁同步故障檢測電磁波形

聲磁同步法：故障點放電時，除了產(chǎn)生放電聲外，還會產(chǎn)生高頻電磁波向地面?zhèn)鞑?。通過同時接收電磁波和聲波的方法來判斷當前的聲波是否由故障點放電引起的方法稱為聲磁同步法。

當電纜發(fā)生故障時，向電纜施加沖擊高壓信號，使故障點放電時，會在電纜的外皮與大地形成的回路中感應出環(huán)流，這一環(huán)流在電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場。電纜故障點放電產(chǎn)生的脈沖磁場一般是一個衰減的余弦信號，信號的周期與電纜的長度、電纜周圍的介質(zhì)等因素有關，持續(xù)的時間長度大約是電纜上高壓信號存在的時間，下圖給出了故障點放電產(chǎn)生的脈沖磁場信號。

3.2 基于音頻感應故障檢測電磁波形

音頻感應法：當電纜發(fā)生故障時，向電纜輸入1 kHz的音頻電流，其周圍將產(chǎn)生一個同樣頻率的交變磁場，在地面上用探頭沿著被測電纜方向接收電磁場信號，并將之送入放大器，再將信號送入耳機或儀表，故障點聲音會明顯增強。

圖10是給電纜施加1 kHz音頻電流，以及在故障點檢測到的電磁波。

4 測量結(jié)果

由于磁場具有方向性，當傳感器所處的位置不同時，檢測到的磁場信號強度也不同。將傳感器在距故障點0.5 m處沿電纜放置，然后在水平面上順時針旋轉(zhuǎn)傳感器，檢測結(jié)果如表2所示。

由表1所示傳感器與電纜夾角0°時穿過電感的磁力線最多，因此檢測的感應電壓也最大，而180°時穿過電感的磁力線最少，因此感應的電壓最小。同時也測試了傳感器在原位置而垂直水平面向上放置時感應電壓為80 mV，向下時為120 mV，由此可以看出傳感器放置位置和故障電纜夾角為零度時，穿過電感的磁力線最多，檢測的感應電壓也最大。

由于線圈的匝數(shù)越多，電感值越大，電感越大磁感應能力越強。改變色碼電感值的大小則檢測結(jié)果如表3所示。

表3中的點亮燈個數(shù)0.5表示處于半點亮狀態(tài)，而且從此表可以看出電感值越大檢測的距離越遠。檢測距離為±5 m，即在10 m范圍內(nèi)確定故障點的位置，在2 m范圍內(nèi)使用4.7 mH的電感值就可以找到故障點準確位置。

5 結(jié)束語

此電磁傳感器不僅可應用于電纜故障點定位儀，而且可應用于電纜的識別。隨著科技的不斷進步以及電纜故障探測方法的不斷提高，新的電纜故障檢測方法不斷地涌現(xiàn)，將會有更多的檢測設備出現(xiàn)。